나노센서

Nanosensor
에 관한 일련의 기사의 일부
나노테크놀로지
영향과 응용 프로그램
나노 물질
분자 자가 조립
나노일렉트로닉스
나노미터학
분자나노테크놀로지

나노센서는 물리량을 측정해 검출과 분석이 가능한 신호로 변환하는 나노급 소자다.오늘날 나노센서를 만드는 방법에는 하향식 리소그래피, 상향식 조립, 분자 자가 [1]조립 등이 있습니다.시장에는 다양한 유형의 나노센서가 있으며, 특히 방위, 환경 및 의료 산업에서 다양한 응용 분야를 위해 개발 중에 있습니다.이들 센서는 분석물질의 선택적 결합, 나노센서와 생체원소의 상호작용에서 발생하는 신호 생성, 유용한 측정지표로의 신호 처리와 같은 동일한 기본 워크플로우를 공유합니다.

특성.

나노 [2]물질 기반 센서는 나노 스케일에서 발생하는 벌크 물질에는 존재하지 않는 나노 물질 특성 때문에 전통적인 물질로 만들어진 센서에 비해 감도와 특이성에서 몇 가지 이점을 가지고 있습니다.나노센서는 자연적인 생물학적 과정과 유사한 규모로 작동하기 때문에 특이성을 높일 수 있으며, 화학적, 생물학적 분자와 함께 기능화를 가능하게 하며, 감지 가능한 물리적 변화를 일으키는 인식 이벤트를 일으킨다.감도의 향상은 나노 물질의 높은 표면 대 부피 비율과 나노 광자를 포함한 검출의 기초로 사용할 수 있는 나노 물질의 새로운 물리적 특성에서 기인한다.나노센서는 나노일렉트로닉스와 통합되어 나노센서에 [3]: 4–10 네이티브 처리 능력을 추가할 수도 있습니다.

나노센서는 감도와 특수성 외에도 비용과 응답 시간 면에서 상당한 이점을 제공하므로 높은 처리량 애플리케이션에 적합합니다.나노센서는 크로마토그래피, 분광학 등 기존 검출방식에 비해 실시간 모니터링을 제공한다.이러한 기존 방법은 결과를 얻기 위해 며칠에서 몇 주가 걸릴 수 있으며, 종종 자본 비용에 대한 투자와 샘플 [4][5][6][7]준비 시간이 필요합니다.

나노와이어나 나노튜브와 같은 1차원 나노물질은 벌크나 박막 평면 소자에 비해 나노센서에 사용하기에 적합하다.변환기와 신호를 전송하기 위한 와이어 역할을 모두 수행할 수 있습니다.표면적이 높기 때문에 분석물 결합 시 큰 신호 변화가 발생할 수 있습니다.크기가 작기 때문에 소형 디바이스에서 개별적으로 주소 지정 가능한 센서 장치를 광범위하게 다중화할 수 있습니다.또한 분석물질에 [3]: 12–26 형광 또는 방사능 라벨이 필요하지 않다는 의미에서 라벨이 없는 작동이다.산화아연 나노와이어는 환경조건에서 낮은 농도의 가스에 대해 높은 감도를 보이고 [8]저비용으로 쉽게 제작할 수 있기 때문에 가스 감지 응용 분야에 사용됩니다.

에는 nanosensors에 재생 가능한 교정 방법을 개발하는 포화를 막을 수 있는 적절한 분석 물질 농도에 도달할 수 있는 preconcentration와 분리 방법을 적용하고 센서 패키지의 믿을 만한 그 방법으로 다른 요소를 사용하여 nanosensor 통합 표류하고, 게 피하는 것을 포함한 여러 도전이 있다.[3]:4–10 나노센서는 비교적 새로운 기술이기 때문에 나노독성 기술에 관한 많은 의문점이 있으며, 이는 현재 생물학적 시스템에서의 나노센서의 적용을 제한하고 있다.

나노센서는 의약품, 오염물질 및 병원체 검출, 제조공정 및 수송시스템 [3]: 4–10 모니터링 등이 적용 가능합니다.물리적 특성 변화(체적, 농도, 변위 및 속도, 중력, 전기 및 자력, 압력 또는 온도)를 측정함으로써 나노센서는 신체의 특정 부위에 약을 전달하거나 발달을 감시하기 위해 분자 수준에서 특정 세포를 구별하고 인식할 수 있다.신호전달의 종류는 나노센서의 주요 분류체계를 정의한다.[9]나노센서 판독치의 주요 유형에는 광학, 기계, 진동 또는 전자기 [10]등이 있습니다.

분류의 예로서, 분자 임프린트 폴리머(MIP)를 사용하는 나노센서는 전기화학 센서, 압전 센서, 분광 센서 등 세 가지 범주로 나눌 수 있다.전기화학적 센서는 전하, 전도율 및 전위를 포함한 감지 물질의 전기화학적 특성 변화를 유도합니다.압전 센서는 기계적 힘을 전기력으로 변환하거나 그 반대로 변환합니다.이 힘은 신호로 변환됩니다.MIP 분광센서는 화학발광센서, 표면플라스몬공명센서, 형광센서 등 세 가지로 나뉜다.이름에서 알 수 있듯이, 이 센서들은 화학 발광, 공명, 형광의 형태로 빛 기반의 신호를 생성합니다.예에서 설명한 바와 같이 센서가 감지하는 변화의 유형과 유도하는 신호의 유형은 센서의 유형에[11] 따라 달라집니다.

일반적인 나노센서 워크플로우 개요.

동작 메커니즘

인식 이벤트가 측정 가능한 신호로 변환될 수 있는 메커니즘은 여러 가지가 있습니다. 일반적으로 이러한 메커니즘은 선택적으로 결합된 분석물질을 검출하기 위해 나노물질 감도 및 기타 고유한 특성을 활용합니다.

전기화학적 나노센서는 산란 변화 또는 전하담체의 고갈 또는 축적으로 인한 분석물질 결합 시 나노물질의 저항변화를 검출하는 것에 기초한다.한 가지 가능성은 카본 나노튜브, 전도성 고분자 또는 금속 산화물 나노와이어와 같은 나노와이어를 전계효과 트랜지스터의 게이트로 사용하는 것이지만, 2009년 현재 이러한 나노와이어는 아직 실제 조건에서 [3]: 12–26 입증되지 않았습니다.화학적 나노센서는 화학적 인식 시스템(수용체)과 수용체가 분석물과 상호작용하여 전기적 [12]신호를 생성하는 물리화학적 변환기를 포함한다.하나의 경우,[13] 분석물과 수용체와의 상호작용에 따라 나노폴러스 변환기는 센서 신호로 결정되는 임피던스의 변화가 있었다.다른 예로는 전자기 또는 플라스몬 나노센서, 표면 강화 라만 분광법과 같은 분광 나노센서, 자기 전자 또는 스핀트로닉 나노센서,[3]: 12–26 기계 나노센서 등이 있습니다.

생물학적 나노센서는 생체수용체와 변환기로 구성된다.현재 선택된 변환 [14][15]방법은 높은 감도와 측정의 상대적 용이성 때문에 형광이다.측정은 세포 내의 활성 단백질에 활성 나노 입자를 결합하거나, 지시 단백질을 생성하기 위해 부위 지향 돌연변이 유발을 사용하거나, 실시간 측정을 허용하거나, 생체 수용체를 위한 부착 [14]부위가 있는 나노 물질(예: 나노 섬유)을 생성함으로써 달성될 수 있다.전기화학적 나노센서는 세포 내 특성을 측정하는 데 사용될 수 있지만 생체수용체(예: 항체, DNA)[16][14]의 높은 특이성이 부족하기 때문에 생물학적 측정에 있어 전형적으로 덜 선택적이다.

또한 광소자는 임상적으로 관련된 샘플의 농도를 정량화하기 위한 나노센서로 사용될 수 있다.이러한 센서의 작동 원리는 Bragg 격자를 포함하는 하이드로겔 필름 부피의 화학적 변조를 기반으로 합니다.하이드로겔이 화학적인 자극에 의해 팽창하거나 수축함에 따라 브래그 그레이팅은 다른 파장에서 색을 바꾸고 빛을 회절합니다.회절광은 대상 [17]분석물질의 농도와 상관관계가 있을 수 있다.

다른 종류의 나노센서는 측색기법으로 작동하는 것이다.여기서 분석물질의 존재는 가시적인 색변화를 위한 화학반응 또는 형태학적 변화를 일으킨다.금 나노입자가 중금속 [18]검출에 사용될 수 있다는 것이 그러한 응용 분야 중 하나다.시판되는 Dréger 튜브를 통해와 같은 비색 변화를 통해 많은 유해 가스를 감지할 수도 있습니다.이러한 시스템은 샘플 장치에 사용할 수 있도록 소형화할 수 있기 때문에 부피가 큰 랩 스케일 시스템을 대체할 수 있습니다.예를 들어, 많은 화학물질은 환경보호국에 의해 규제되고 있으며 오염물질 수준이 적절한 한계 내에 있는지 확인하기 위해 광범위한 테스트가 필요합니다.비색 나노센서는 많은 오염물질을 [19][20][21]온사이트에서 측정하는 방법을 제공합니다.

생산 방법

나노입자의 표면 제어를 통해 나노센서의 기능을 만들 수 있다는 점에서 제조된 나노센서의 특성을 결정하는 데 중심적인 역할을 한다.나노센서 제조에는 크게 두 가지 방법이 있습니다. 톱다운 방식은 대규모로 생성된 패턴에서 시작하여 마이크로스케일로 축소됩니다.상향식 방법은 나노구조까지 만드는 원자 또는 분자로 시작한다.

톱다운 방식

리소그래피

여기에는 더 큰 블록의 재료로 시작하여 원하는 형태를 조각하는 작업이 포함됩니다.특히 마이크로 센서로 사용되는 특정 마이크로 전자 시스템에 사용되는 이러한 조각된 장치들은 일반적으로 마이크로 사이즈에 도달하지만, 가장 최근의 장치들은 나노사이즈 [1]부품을 통합하기 시작했습니다.가장 일반적인 방법 중 하나는 전자빔 리소그래피라고 불립니다.매우 비용이 많이 들지만 이 기술은 2차원 표면에 원형 또는 타원형 플롯의 분포를 효과적으로 형성합니다.또 다른 방법은 전착으로, 소형화된 [22]소자를 생산하기 위해 전도성 소자를 필요로 한다.

파이버 풀링

장력장치로 파이버를 가열하면서 장축을 늘려 나노급 스케일을 실현하는 방식이다.광섬유 기반의 나노센서를 [16]개발하기 위해 광섬유에 특화된 방식이다.

화학 식각

두 가지 화학 식각 유형이 보고되었습니다.플루오르화수소산과 유기 오버레이어 사이의 메니스커스에 재치하면서 섬유를 점까지 식각하는 터너법.이 기술은 테이퍼 각도가 크고(따라서 파이버의 선단에 도달하는 빛이 증가함) 선단 직경이 풀링 방법에 필적하는 것으로 나타났습니다.두 번째 방법은 튜브 식각으로, 불화수소 용액으로 광섬유를 식각하는 것입니다.유기피복재로 둘러싸인 실리카섬유를 연마하고 한쪽 끝을 불산용기 안에 넣는다.그러면 산은 피복을 파괴하지 않고 섬유 끝을 부식시키기 시작합니다.실리카 섬유가 식각되면 폴리머 클래드는 벽으로 작용하여 불산에 미세 전류를 생성하며, 모세관 작용과 함께 섬유가 크고 매끄러운 테이퍼로 원뿔 모양으로 식각됩니다.이 방법은 Turner [16]방법보다 환경 파라미터에 훨씬 덜 민감함을 보여줍니다.

상향식 방법

이러한 유형의 방법에는 센서를 작은 구성요소(일반적으로 개별 원자 또는 분자)로 조립하는 것이 포함됩니다.원자력 현미경을 이용해 실험실에서 이뤄낸 원자를 특정 패턴으로 배열하는 방식으로 이뤄지지만 아직 일괄적으로 이뤄지기 어렵고 경제성도 떨어진다.

자가 조립

"성장"이라고도 하는 이 방법은 대부분의 경우 자동으로 완제품으로 조립되는 완전한 컴포넌트 세트를 수반합니다.실험실에서 원하는 센서에 대해 이 효과를 정확하게 재현할 수 있다는 것은 과학자들이 각각의 센서를 수동으로 조립할 필요 없이 외부의 영향을 거의 받지 않고 스스로 조립함으로써 훨씬 더 빠르고 잠재적으로 훨씬 더 저렴하게 나노센서를 제조할 수 있다는 것을 의미한다.

종래의 제조 기법이 효율적이라고 증명되고 있지만, 생산 방법을 한층 더 개선하면 코스트를 최소한으로 억제해 퍼포먼스를 향상시킬 수 있습니다.나노 입자의 분포, 크기, 형상이 고르지 못해 성능에 한계가 있다는 게 현재의 생산방식의 과제다.2006년 베를린 연구진은 나노 입자의 크기와 모양을 정밀하게 제어하고 나노섬을 만드는 NSL(나노스피어 리소그래피)로 만든 새로운 진단 나노센서의 발명 특허를 취득했다.금속 나노섬은 신호 전달을 증가시켜 센서의 감도를 증가시켰다.그 결과 진단용 나노센서의 감도와 사양은 나노입자의 크기에 따라 달라지며 나노입자 크기를 줄이면 [22]감도가 높아지는 것으로 나타났다.

적용들

합성 나노센서의 첫 번째 작동 사례 중 하나는 [23]1999년 조지아 공과대학의 연구자들에 의해 만들어졌다.탄소나노튜브의 끝에 하나의 입자를 부착하고 입자가 있든 없든 나노튜브의 진동 주파수를 측정하는 것을 포함했다.두 주파수 사이의 차이는 연구자들이 부착된 [1]입자의 질량을 측정할 수 있게 했다.

그 이후 나노센서에 대한 연구량이 증가하고 있으며, 현대 나노센서는 많은 응용 분야를 위해 개발되어 왔다.현재 시장에서 나노센서의 응용 분야는 의료, 국방, 군사 등 식품, 환경, 농업 [24]등입니다.

나노센서의 [citation needed]현재 산업 응용에 대한 간략한 분석.

국방 및 군사

나노 과학은 전체적으로 화학 탐지, 오염 제거 및 법의학 등 국방 및 군사 분야에서 많은 응용 분야를 보유하고 있습니다.방위용으로 개발 중인 나노센서에는 폭발물이나 유독가스 검출용 나노센서가 포함된다.이러한 나노센서는 예를 들어 압전 센서를 사용하여 가스 분자를 질량에 따라 구별할 수 있다는 원리로 작동합니다.검출기 표면에 가스 분자가 흡착되면 결정의 공진 주파수가 변화하고 이를 전기적 성질의 변화로 측정할 수 있다.또한 전위차계로 사용되는 전계효과 트랜지스터는 게이트를 [25]민감하게 만들면 유독가스를 검출할 수 있다.

나노센서는 군용 및 법 집행복과 장비 등에 활용할 수 있다.해군연구소 나노과학연구소는 나노포토닉스 분야에서의 응용과 생체물질 식별을 위한 양자점을 연구해 왔다.폴리머와 다른 수용체 분자로 층을 이룬 나노 입자는 독성 [25]가스 같은 분석 물질과 접촉하면 색이 변한다.그러면 사용자에게 위험에 처했음을 알립니다.다른 프로젝트에서는 사용자의 건강 [25]및 바이탈에 관한 정보를 전달하기 위해 생체 센서가 달린 의류를 내장하는 것이 포함되며, 이는 전투 중인 군인들을 감시하는 데 유용할 것이다.

놀랍게도, 방위 및 군사용 나노센서를 만드는 데 있어 가장 어려운 측면 중 일부는 기술적인 측면이라기보다는 본질적으로 정치적인 측면이다.많은 다른 정부 기관이 공동으로 예산을 할당하고 정보와 테스트 진행 상황을 공유해야 합니다. 이렇게 크고 복잡한 기관에서는 이것이 어려울 수 있습니다.게다가, 비자와 이민 자격은 외국인 연구원들에게 문제가 될 수 있다 - 그 주제는 매우 민감하기 때문에, 때때로 정부의 승인이 [26]필요할 수 있다.마지막으로, 센서 업계에서는 현재 나노센서 테스트 또는 적용에 대한 규정이 명확하게 정의되거나 명확하지 않아 구현에 어려움을 겪고 있습니다.

음식과 환경

나노센서는 식품가공, 농업, 대기 및 수질 모니터링, 포장 및 운송 등 식품 및 환경 분야의 다양한 하위 영역을 개선할 수 있습니다.나노센서는 감도뿐만 아니라 조정성과 결합 선택성으로 인해 매우 효과적이며 다양한 환경 용도에 맞게 설계할 수 있습니다.이러한 나노센서의 적용은 많은 유형의 [27]환경오염물질에 대한 편리하고 신속하며 초감응적인 평가에 도움이 됩니다.

화학 센서는 식품 샘플의 냄새를 분석하고 대기 가스를 감지하는 데 유용합니다."전자 코"는 1988년 전통적인 센서를 사용하여 식품 샘플의 품질과 신선도를 측정하기 위해 개발되었지만, 최근에는 나노 물질로 감지 필름을 개선하고 있다.휘발성 화합물이 기체상에 농축되는 챔버에 샘플을 배치하고, 챔버를 통해 가스를 펌핑하여 고유의 지문을 측정하는 센서로 향을 전달합니다.나노물질의 표면적 대 부피비가 높아 분석물질과의 상호작용이 용이하며 나노센서의 응답속도가 빨라 간섭반응을 [28]분리할 수 있다.화학 센서 또한 기체 분자의 다양한 특성을 감지하기 위해 나노튜브를 사용하여 만들어졌습니다.많은 카본 나노튜브 기반 센서는 그 감도를 이용하여 전계효과 트랜지스터로 설계되었다.이들 나노튜브의 전기전도율은 전하전달과 다른 분자에 의한 화학적 도핑으로 변화해 검출이 가능해진다.그들의 선택성을 높이기 위해, 이것들 중 많은 것들이 나노센서가 다른 분자를 위한 특정한 주머니를 가지도록 만들어지는 시스템을 포함한다.탄소 나노튜브는 기체 분자의 이온화를 감지하는 데 사용되었고, 티타늄으로 만들어진 나노튜브는 분자 수준에서 [29][30]수소의 대기 중 농도를 감지하는 데 사용되었다.이들 중 일부는 전계효과 트랜지스터로 설계되었으며 다른 일부는 광학적 감지 기능을 활용합니다.선택적 분석물 결합은 스펙트럼 시프트 또는 형광 [31]변조를 통해 검출된다.비슷한 방법으로 Flood 등.는 초분자 호스트-게스트 화학이 [33]SER뿐만 아니라 라만 산란광을[32] 사용하여 정량적 감지를 제공한다는 것을 보여주었다.

양자점과 금 나노입자를 포함한 다른 종류의 나노센서는 현재 환경 내의 오염물질과 독소를 검출하기 위해 개발되고 있다.이것들은 나노스케일로 발생하는 국소적인 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 이용하여 파장 고유의 [34]흡수를 일으킨다.이 LSPR 스펙트럼은 특히 민감하며 나노 입자의 크기와 환경에 대한 의존도는 광학 센서를 설계하는 데 다양한 방법으로 사용될 수 있습니다.분자가 나노입자에 결합할 때 발생하는 LSPR 스펙트럼 변화를 이용하기 위해, 그 표면은 어떤 분자가 결합하고 [35]반응을 트리거할 것인지를 지시하기 위해 기능할 수 있다.환경 적용을 위해, 양자 닷 표면은 미생물이나 다른 오염 물질에 특이적으로 결합하는 항체로 수정될 수 있습니다.그런 다음 스펙트럼 변화를 관찰하고 정량화하기 위해 분광법을 사용할 수 있으며,[35] 잠재적으로 분자의 순서로 정밀한 검출을 가능하게 한다.마찬가지로 형광반도체 나노센서는 형광공명에너지전달(FRET)을 이용해 광학검출을 할 수 있다.양자 점은 기증자로 사용될 수 있으며, 수용체 분자 근처에 위치할 때 전자 들뜸 에너지를 전달하여 형광을 잃습니다.이 양자점들은 어떤 분자가 결합하고 어떤 형광이 회복될지를 결정하기 위해 기능화 될 수 있다.금 나노입자 기반의 광학 센서는 예를 들어 0.49나노미터의 낮은 수은 수치와 같은 중금속을 매우 정밀하게 검출하는 데 사용될 수 있습니다.이 감지 양식은 금속의 존재가 양자 점과 금 나노 입자 간의 상호작용을 억제하는 FRET를 이용하여 FLET [36]응답을 억제합니다.또 다른 잠재적 구현은 이온 감지를 달성하기 위해 LSPR 스펙트럼의 크기 의존성을 이용한다.한 연구에서, Liu et al.Pb 민감2+ 효소와 함께 기능화된 금 나노 입자로 납 센서를 생산합니다.일반적으로 금 나노 입자는 서로 가까워질수록 응집되어 크기가 변하면 색이 변한다.효소와2+ Pb 이온 간의 상호작용은 이러한 응집을 억제할 수 있으며, 따라서 이온의 존재를 검출할 수 있었다.

식품과 환경에 나노센서를 사용하는 것과 관련된 주요 과제는 나노센서와 관련된 독성과 환경에 대한 전반적인 영향을 결정하는 것입니다.현재 나노센서의 구현이 장기적으로 토양, 식물, 사람에게 어떤 영향을 미칠지에 대한 충분한 지식이 없다.나노입자 독성은 pH, 온도, 습도 등 환경변수뿐만 아니라 입자의 종류, 크기, 용량에 따라 크게 달라지기 때문에 이를 완전히 해결하기는 어렵다.잠재적인 위험을 줄이기 위해 녹색 나노 [37]기술을 향한 전반적인 노력의 일환으로 안전하고 독성이 없는 나노 물질을 제조하기 위한 연구가 이루어지고 있습니다.

헬스케어

나노센서는 진단의학의 큰 잠재력을 가지고 있어 관찰 가능한 증상에 의존하지 않고 질병을 조기에 식별할 수 있다.이상적인 나노센서 구현은 센서 입력 및 응답을 모니터링하기 위해 데이터를 전송하면서 진단 및 면역 반응 기능을 모두 통합하면서 신체 내 면역 세포의 반응을 에뮬레이트하는 것을 목표로 합니다.그러나 이 모델은 여전히 장기적인 목표이며, 현재 연구는 나노센서의 즉각적인 진단 능력에 초점을 맞추고 있다.생분해성 고분자로 합성된 나노센서의 세포내 구현은 실시간 모니터링을 가능하게 하는 신호를 유도하여 약물 전달 및 [38]치료의 발전을 위한 길을 열어준다.

이러한 나노센서의 한 예는 체내 종양을 발견하기 위한 센서로서 카드뮴 셀레나이드 양자 닷의 형광 특성을 사용하는 것이다.하지만 카드뮴 셀레나이드 점의 단점은 몸에 매우 독하다는 것이다.그 결과, 연구원들은 형광 특성 중 일부를 유지하면서 독성이 적은 다른 물질로 만들어진 대체 점들을 개발하기 위해 노력하고 있다.특히, 그들은 황화 아연 양자 닷이 비록 카드뮴 셀레나이드만큼 형광은 아니지만 망간과 다양한 란타니드 원소를 포함한 다른 금속으로 증강될 수 있는 특별한 이점을 연구해왔다.게다가, 이러한 새로운 양자 점들은 그들의 표적 [31]세포에 결합할 때 더 형광을 띠게 된다.

나노센서의 또 다른 응용은 장기 건강을 감시하기 위해 IV 라인의 실리콘 나노와이어를 사용하는 것이다.나노와이어는 혈액을 통해 IV 라인으로 확산되는 미량 바이오마커를 감지하는 데 민감하며, 이는 신장이나 장기 부전을 감시할 수 있다.이러한 나노와이어는 지속적인 바이오마커 측정을 가능하게 하며, 이는 ELISA와 [39]같은 전통적인 바이오마커 정량 분석보다 시간적 민감도 측면에서 몇 가지 이점을 제공한다.

나노센서는 장기 이식물의 오염을 감지하는 데도 사용할 수 있다.나노센서는 임플란트에 내장되어 있으며 임상의나 의료기관으로 전송되는 전기신호를 통해 임플란트를 둘러싼 세포의 오염을 감지합니다.나노센서는 세포가 건강한지, 염증적인지,[40] 박테리아에 오염된지를 감지할 수 있다.그러나 장기간에 걸친 임플란트 사용에서 주요 단점이 발견되는데, 이 임플란트에서는 조직이 센서 위에서 자라면서 압박 능력이 제한된다.이는 전하의 생산을 방해하고, 따라서 이러한 나노센서가 압전 효과를 사용하여 자가 전력을 공급하기 때문에 수명이 단축됩니다.

대기 오염 물질을 측정하는 데 사용되는 것과 유사하게, 종양의 성장이 [41]세포막의 과산화와 관련이 있기 때문에, 금 입자 기반의 나노센서는 호흡 중에 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 검출함으로써 여러 종류의 암을 조기 진단하기 위해 사용됩니다.또 다른 암 관련 적용은 아직 생쥐 탐사 단계에 있지만, 폐암을 검출하기 위한 활동 기반 센서로서 펩타이드 코팅 나노 입자를 사용하는 것이다.나노 입자를 이용해 질병을 발견하는 두 가지 주요 장점은 밀리미터 크기의 종양을 발견할 수 있기 때문에 조기 발견이 가능하다는 것이다.또한 비용 효율적이고 사용하기 쉬운 휴대용 [41][42]비침습 진단 도구도 제공합니다.

나노센서 기술의 발전을 위한 최근의 노력은 분자 인식에서 수용체 역할을 하는 고분자 매트릭스를 합성하는 데 사용되는 기술인 분자 임프린트를 이용했다.효소-기질 잠금 및 키 모델과 마찬가지로 분자 임프린트는 기능성 모노머를 가진 템플릿 분자를 사용하여 목표 템플릿 분자에 대응하는 특정 형상의 폴리머 매트릭스를 형성함으로써 매트릭스의 선택성과 친화성을 높인다.이 기술은 나노센서가 화학종을 검출할 수 있게 했다.생명공학 분야에서 분자임프린트 폴리머(MIP)는 높은 선택성과 친화성을 갖도록 설계되었다는 점에서 자연 항체에 대한 유망하고 비용 효율적인 대안을 보여준 합성 수용체이다.예를 들어, 비전도성 폴리페놀 나노 코팅(PPN 코팅)을 가진 나노칩을 포함하는 MI 센서에 대한 실험은 E7 단백질의 선택적 검출을 보여주었고, 따라서 이러한 나노센서를 인간 유두종 바이러스, 다른 인간 [11]병원체 및 독소의 검출 및 진단에 사용할 수 있음을 입증했다.위와 같이 분자 임프린트 기술을 가진 나노센서는 폴리머 매트릭스를 인위적으로 수정함으로써 친화력과 선택성을 [11]높인다는 점에서 초감응성 화학종을 선택적으로 검출할 수 있다.분자 임프린트 폴리머는 나노센서의 선택적 분자 인식에 이점을 제공하지만, 기술 자체는 비교적 최근의 것이며, 감쇠 신호, 효과적인 변환기가 없는 검출 시스템, 효율적인 검출이 부족한 표면 등의 과제가 남아 있다.고효율 나노센서의 [43]개발에 있어서, 분자 임프린트 폴리머의 분야에 관한 한층 더 조사와 연구가 불가결하다.

나노센서를 이용한 스마트 헬스케어를 개발하기 위해서는 나노센서 네트워크를 구축해야 하며, [44]나노센서의 크기와 전력의 한계를 극복해야 한다.Nanonetworks는 기존의 과제를 완화할 뿐만 아니라 수많은 개선점을 제공합니다.나노센서의 세포 수준 분해능은 부작용을 제거하고 환자의 상태를 지속적으로 모니터링하고 보고할 수 있는 치료를 가능하게 할 것이다.

나노네트워크는 나노센서가 기존 센서와 다르다는 점에서 더 많은 연구가 필요하다.센서 네트워크의 가장 일반적인 메커니즘은 전자파 통신을 통한 것입니다.그러나 현재 나노소자는 낮은 범위와 전력으로 인해 현재 패러다임이 적용되지 않습니다.광신호 변환은 기존의 전자 원격 측정의 대안으로 제안되어 왔고 인체에서 모니터링 애플리케이션을 가지고 있다.기타 제안된 메커니즘에는 생체 영감을 받은 분자 통신, 분자 통신에서의 유선 및 무선 활성 전송, Forster 에너지 전달 등이 있습니다.의료용 임플란트, BAN(Body Area Network), IoNT(Internet of Nano Things), 약물 전달 [45]등의 분야에 적용할 수 있도록 효율적인 나노 네트워크 구축이 중요하다.생체 이식형 나노 소자는 뛰어난 나노 네트워크를 통해 매크로 스케일 임플란트보다 더 높은 정확도, 해상도 및 안전성을 제공할 수 있습니다.BAN(Body Area Network)은 센서와 액추에이터가 인체에서 물리적 및 생리학적 데이터를 수집하여 질병을 더 잘 예측할 수 있도록 하여 치료를 용이하게 한다.BAN의 잠재적 적용 분야는 심혈관 질환 모니터링, 인슐린 관리, 인공 시력 및 청각, 호르몬 치료 관리 등이다.바이오나노 인터넷이란 인터넷으로 접속할 수 있는 나노 디바이스 네트워크를 말한다.IOB 개발NT는 새로운 치료와 진단 [46]기술로 가는 길을 열었다.나노네트웍스는 또한 [44]약물의 국산화 및 유통 시간을 증가시킴으로써 약물의 전달을 도울 수 있다.

상기 어플리케이션의 기존 과제로는 나노 임플란트의 생체 적합성, 전력 및 메모리 스토리지 부족을 초래하는 물리적 한계, IoBNT의 송신기 및 수신기 설계의 생체 호환성 등이 있습니다.나노 네트워크 개념에는 나노 기계 개발, 프로토콜 스택 문제, 전력 프로비저닝 기술 [44]등 많은 개선 분야가 있습니다.

나노센서의 부작용과 나노센서의 [47]잠재적 세포독성 효과에 대한 지식이 부족하기 때문에 의료업계에서 사용되는 나노센서의 표준 개발에 대한 엄격한 규제가 여전히 존재한다.또 실리콘, 나노와이어, 카본나노튜브 등 원재료 비용이 많이 들 수 있어 구현 시 스케일업이 필요한 나노센서의 상용화와 제조를 방해할 수 있다.원가의 단점을 완화하기 위해 연구자들은 보다 비용 효율적인 [24]재료로 만들어진 나노센서를 제조하는 것을 검토하고 있다.나노센서는 크기가 작고 합성기술에 민감하기 때문에 재현가능하게 제조하기 위해 높은 정밀도가 필요하며, 이는 극복해야 할 추가적인 기술적 문제를 야기한다.

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